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Submitted on 1 Jan 1973
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Structure de bandes du bromure cuivreux
M. A. Khan
To cite this version:
M. A. Khan. Structure de bandes du bromure cuivreux. Journal de Physique, 1973, 34 (7), pp.597-602.
�10.1051/jphys:01973003407059700�. �jpa-00207419�
STRUCTURE DE BANDES DU BROMURE CUIVREUX (*)
M. A. KHAN
Laboratoire de Structure
Electronique
des Solides(E.
R. A.100) 4,
rueBlaise-Pascal,
67000Strasbourg,
France(Reçu
le 28 décembre1972)
Résumé. - Nous avons calculé la structure de bandes
d’énergie
du CuBr àpartir
despremiers principes
par la méthode des liaisons fortes pour les bandes de valence et par la méthode des ondesplanes orthogonalisées
pour les bandes de conductibilité. Les donnéesexpérimentales s’interprètent
bien à l’aide de la structure
électronique
ainsi calculée.Abshact. 2014 The combined TB and OPW methods have been
employed
to calculate the valence and conduction bands of CuBr. Most of theexperimental
data have beensatisfactorily interpreted
with the
help
of the band structure thus calculated.Classification Physics Abstracts
17.10
1. Introduction. - Les
halogénures
de cuivre ontfait
l’objet
de nombreuses étudesspectroscopiques
tant dans le domaine du visible
[1], [2], [3], [4], [5]
que dans celui de l’ultraviolet
[6], [7]. Cependant,
le calcul de la structure de bandes à
partir
despremiers principes
n’a été fait que pour le chlorure cui-vreux
[8], [9].
Pour les deux autrescomposés (c’est-à-
dire le bromure cuivreux et l’iodure
cuivreux)
nousne
disposons
que du calculsemi-empirique
àpartir
de la structure de bandes du chlorure cuivreux
[10],
ainsi que du calcul par la méthode des ondes
planes orthogonalisées (OPW)
pourquelques points
desymétrie
élevée sur la surface de la zone de Brillouin(ZB)
et au centre[11 ].
Les raies du
spectre excitonique
de CuBr ont étéclassées en deux
séries, appelées
série fine et sériediffuse,
paranalogie
avec les séries de même nomde CuCI
[1 ], [5].
Mais pour CuBr les rôles des deux séries sont inversés parrapport
à celles deCuCI ;
donc elles ne
peuvent
pas êtreinterprétées
à l’aidedu schéma de bande de CuBr directement
extrapolé
àpartir
de celui de CuCI.Nous nous sommes
proposé
de calculer la structure de bandes du bromure cuivreux àpartir
despremiers principes
pour mieuxexpliquer
les donnéesexpéri-
mentales
qui
ontbeaucoup augmenté
ces dernièresannées. Nous avons
employé
la méthode des liaisons fortes(TB)
pour les bandes de valence et la méthode des ondesplanes orthogonalisées (OPW)
pour lesbandes de conductibilité. Ces deux méthodes ont été
également employées
parSong [8],
Knox etBassani
[12],
Fowler[13]
etBassani,
Knox etFowler
[14]
pour les calculs de bandes deCuCI, Ar,
Kr etAgCl
etAgBr respectivement.
Dans ce
travail,
nous nous limitons aux calculssuivants :
- bandes de valence et de conductibilité sans le
couplage spin-orbite (Chap. 2) ;
- bandes de valence avec le
couplage spin-orbite (Chap. 3) ;
J- effets du
champ magnétique
au sommet dela bande de valence
(Chap. 4) ;
- densités d’états de bandes de valence
(Chap. 5) ;
- et enfin dans le
chapitre
6 nous discutons cesrésultats et les comparons aux données
expérimentales.
2. Les bandes de valence et de conductibilité. - Dans ce
chapitre
nous exposons brièvement les méthodes de calcul[8], [9].
L’hamiltonien pour unélectron de valence contient les
potentiels atomiques
créés par les ions. Ces
potentiels
sont calculés à l’aide des fonctionsatomiques
de Watson et Freeman[15]
et Watson
[16]
pourCu+
et Br-respectivement.
Nous avons
négligé
le termed’échange
entre un élec-tron de valence et les électrons
appartenant
à d’autres ions. L’effetd’échange
entre les électronsappartenant
au même ion est
implicitement
inclus dansl’énergie atomique
de Hartree-Fock. Cetteapproximation
estjustifiée
en raison du caractère fortementionique
de CuBr. Les fonctions d’ondes pour les électrons de valence sont écrites sous forme de combinaisons linéaires des fonctions
atomiques
4 s et 4 p de Br-et 3 d de
Cu +.
Enfin nous résolvons leséquations
séculaires.
(*) Ce travail fait partie de la Thèse de Doctorat que l’auteur doit soutenir devant l’Université Louis-Pasteur, Strasbourg.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01973003407059700
598
lm
etH m
sont desintégrales
de recouvrement etd’énergie
entre lesétats n
>et 1
m > desymétrie
a.Dans ce
calcul,
nous avonsnégligé
lesintégrales
àtrois centres ; les
intégrales
à deux centres sont faitesjusqu’aux
seconds voisins inclusivement. Nous avons utilisé la théorie des groupes pour abaisser leplus possible
l’ordre des matrices àdiagonaliser.
Lesnotations des
représentations
sont les mêmes que celles données par Dresselhaus[17].
Lessymétries
etles
dégénérescences
pour les différentesreprésentations
suivant les trois directions
[001], [110]
et[111]
dehaute
symétrie
sont les mêmes que celles que nousavons données
précédemment
pour CuCI[9].
Pour un électron de
conductibilité,
nous avonsinclus dans l’hamiltonien
l’énergie d’échange
entreun électron de conductibilité et les électrons appar- tenant aux autres ions. Ce
potentiel d’échange
a étécalculé à
partir
del’expression
de Slater[18]
pour les électrons libres. Les ondesplanes orthogonalisées
ont été formées par les méthodes habituelles
[9].
Nous avons résolu
l’équation
ou
et
Dans les
expressions (2.3)
et(2.4),
ni et n2 sont les nombres depoints
del’espace réciproque
pour les n-ième et m-ièmeOPW.b(X(Kn)
est le coefficient de l’ondeplane symétrisée
desymétrie
oc pour le vecteurréciproque Kn. v(Kn - Km)
est la transformée de Fourier dupotentiel.
LesAn;
sont les transformées de Fourier des fonctions des couchesprofondes
i(y compris
les bandes de
valence)
desymétrie
a et pour le vec- teurréciproque Kn.
Lesénergies E;
sont celles des couchesprofondes.
En
général,
la convergence de la méthode des OPW n’étant pas très bonne[11 ],
nous avons fait le calculau centre de la zone de Brillouin pour la
symétrie F,
en
augmentant progressivement
le nombre d’ondesplanes
defaçon
à obtenir une bonne convergence.La
figure
1 montre que pour obtenir une convergencesatisfaisante,
on doit faire le calcul en allant au moinsjusqu’à
la couche desquatrièmes
voisins dans l’es- paceréciproque (soit
51 ondesplanes).
Nous avonseffectué les calculs
jusqu’à
la couche des sixièmes voisins inclusivement dansl’espace réciproque (c’est-à-
dire 65 ondes
planes).
Dans les
figures
2a et b nousreportons
les schémas de bandes ainsi obtenus. Pour les directions[001] ]
FIG. 1. - Convergence de la valeur propre de la représentation Tl par rapport au nombre d’OPW (.) ou par rapport au nombre
de couches de voisins de l’espace réciproque (0).
FIG. 2. - Structure de bandes (sans couplage spin-orbite) de
CuBr dans les directions de haute symétrie : a) L1 et A, b) 27.
(ou A)
et[111] ] (ou A)
nous avons fait le calcul avec un pas de1/10
de lademi-largeur
de la ZB et dansla direction
[110] (ou L’)
avec un pas de1/15.
3.
Couplage spin-orbite.
- A l’aide de la théo-rie de groupe, Elliot
[19],
Parmenter[20]
etDresselhaus
[17]
ont étudié l’effet ducouplage spin-
orbite sur les bandes de valence des semi-conducteurs du groupe
ponctuel Td.
Le calculnumérique
a étéfait pour les
composés
IV-IV par Kane[21 ] et
Liu[22],
pour les
composés
III-V parDoggett [23]
et Braunsteinet Kane
[24],
pour lescomposés
II-VI par Collinset al.
[25]
et Shindo et al.[26]
et pour les compo- sés I-VII par Bassani et al.[14],
Shindo et al.[26]
etSong [8].
Dans laplupart
de ces cas on a étudié la levée de ladégénérescence (par
lecouplage spin- orbite)
de la bande de valence laplus
élevéequi
se trouve en
général
au centre de la ZB. Il y a aussiquelques
études pour les autrespoints
desymétrie
élevée. Mais les calculs des bandes avec un hamiltonien
avec le
couplage spin-orbite
sont rares.Nous avons étudié cet effet en
perturbation.
L’ha-miltonien de la bande de valence se réécrit de la manière suivante :
Je est l’hamiltonien d’un électron de valence sans
couplage spin-orbite
tel que :où
Ej et ! j
> sont les solutions propres de la bande de valencedéjà calculées ;
pour unpoint quelconque
de la
ZB j = 1,
..., 9. Dans unereprésentation
dugroupe
double, chaque
vecteur propre estmultiplié
par les fonctions de
spin a
>et 1 f3
>, donc :et
où c = 137
(en ua)
et p et 6 sont laquantité
de mou-vement et la matrice de Pauli
respectivement. V
estle
potentiel
des ions dans le cristal. Pour unpotentiel sphérique
nous avons :où
et 1 est le moment
angulaire.
L’expression (3.5)
est valable seulement pour lespotentiels sphériques ;
comme dans les cristaux V estpériodique,
on doit doncajouter
une correctionà
ç(r).
Lowther
[28]
a démontré que cet effetpourrait
êtreassez
important
dans les cas où lechamp
cristallinn’est pas de
symétrie
très élevée. Nous avonsnégligés
cet
effet,
car V est trèsgrand près
des ions et si nousnous limitons pour nos calculs aux
intégrales
à uncentre dans
l’approximation
des liaisonsfortes,
nouspouvons considérer le
potentiel
commesphérique [14].
Pour un vecteur k
quelconque
les éléments de matrice de l’hamiltonienJC,
seront de deuxtypes :
et
lx, ly
et1.
sont lesprojections
du momentangulaire
1.Les éléments de matrice des
opérateurs
decouplage spin-orbite peuvent
être facilement déterminés enécrivant m
>et 1 j
> comme les combinaisons linéaires d’orbitalesatomiques.
Nous avonsdiagona-
lisé le déterminant de
l’équation
séculaire d’ordre18 x 18 et les résultats du calcul suivant les trois directions de haute
symétrie
sont montrés dans lesfigures 3a, b,
c et d.FIG. 3a et b. - Effet du couplage spin-orbite sur la bande
de valence la plus élevée dans les directions de haute symétrie : FIG. 3c et d. - Effet du couplage spin-orbite sur les deux bandes de valence les plus basses dans les directions de haute symétrie :
Nous n’avons pas étudié l’influence du
couplage spin-orbite
sur les bandes deconductibilité,
car ladégénérescence
de la bande deplus
basseénergie qui
intervient dans les transitions interbandes n’est pas levée dans les directions
[001] et [111].
Dans la direc-tion
[110]
cette levée dedégénérescence
est de l’ordre. de
10-4
ua, doncnégligeable.
4. Effet d’un
champ magnétique.
- Wecker[29] J
et Wecker et al.
[30]
ont étudié l’effet Zeeman sur les raiesexcitoniques
de CuBr. Ils ont déduit la valeur600
du facteur de Landé
(g)
de lasymétrie Ts
de la bandede valence la
plus
élevée. Nous avons fait le même calcul que dans le cas de CuCI[27]
et le résultatest donné sur la
figure
4. Le niveaur 15
estdécomposé
en deux niveaux
r8
etr 7
par lecouplage spin-orbite ;
en
présence
duchamp magnétique,
ils se subdivisenten 4 et 2 niveaux
respectivement.
Sur lafigure 4,
FIG. 4. - Effet du couplage spin-orbite et du champ magnétique
sur le niveau le plus élevé CTis). Les niveaux El et E2 sont :
et
où Eo est le niveau F,5, A = 0,001 7 ua, m 1 z of, :t t;
m2
= + § ; ) 191 1 - 0,37, 192 1 -
1,26 ; pp, le magnéton de Bohret H le champ magnétique.
nous montrons les
quatre
niveaux issus der8
et les deux niveaux issus deF7.
Lesexpressions analytiques
pour les
énergies Ei
etE2
sont données par :et
où
Eo
est leniveau r15,
A =0,001
7(ua),
ml = ±15
± 2,
m2 -± -L, 2 1 g, 1 = 0,37, 1 g2 1 = 1,26
Po lemagnéton
de Bohr et H lechamp magnétique.
Lavaleur du
facteur g ( 0,37)
pourr8
n’est pas trèséloignée
de la valeurexpérimentale (- 0,5)
donnéepar Wecker
[29].
5. Densité d’états. - Kono et al.
[31]
ont étudiéles
halogénures
de cuivre par les rayons X. Ils ont soumis les échantillons aux radiations X deMgKa
et ont observé les
spectres d’énergie
des électronsainsi excités à
partir
de la bande de valence. Cetype d’expérience
donne une alluregénérale
de la densité d’états des électrons de valence. Pour comparer leurs résultats avec le calcul debandes,
nous avons calculé les densités d’états des électrons de valence.Compte
tenu de la
symétrie
ducristal,
il suffit de considérerun domaine
égal
au 48e de la zone de Brillouin.Sur la
figure 5,
ce domaine estreprésenté
par lapartie
hachurée et définie par
[32].
(en
unité 2nia
où a est la constante duréseau).
FIG. 5. - Zone de Brillouin de la structure cubique à faces
centrées. La partie hachurée représente 1/48 de la zone.
FIG. 6. - Densité d’états des électrons : a) « s » et « p », b) « d », c) « p + d ».
La densité d’états n des électrons de
symétrie
oc estdonnée par :
an(k)
etEn (k)
sont les vecteurs propres et les valeurs propres del’équation
séculaire(2.1).
Nreprésente
le nombre de
points
k dans le domaine(dans
notreprogramme nous avons fixé N =
1 000).
Nous avonsremplacé ô(E)
par une distributionapprochée
AIEtelle que :
où 8
(= 0,005 ua)
est le pas del’histogramme.
Lesfigures 6a, b
et c montrent leshistogrammes
des densités d’états des électrons s, p, d et enfin les densités d’états totales des électrons p et d.6. Discussion. - Les schémas de bandes
(Fig.
2aet
b)
sontcomposés
des trois bandes de valence et deux bandes de conductibilité et d’une bande interdite de3,1
eV située entre la bande de valence laplus
élevée et la bande de conductibilité la
plus
basse.La bande de valence la
plus
basse est detype
4 s de Br- et trèsplate.
Les deux autres bandes de valencesont les
mélanges
de 4 p de Br- et 3 d deCu ’.
La deuxième bande de valence est essentiellement detype
4 p de Br- avec unepetite partie
de 3 d deCu + .
Au centre
(c’est-à-dire r 15)
cemélange
est de l’ordrede 85
%
de 4 p et15 %
de 3 d. Cette bande est trèslarge
encomparaison
de la bandecorrespondante
de
CuCI,
car l’orbitaleatomique
4 p de Br- estbeaucoup plus
étendue que 3 p de Cl - . La bande de valence laplus
élevée sesépare
sous l’action duchamp
cristallin enr 15
etr 12
au centre de ZB. Pourr 15
il y a une fortehybridation
de 4 p de Br- et 3 d deCu +.
Cettehybridation augmente quand
on vade CuCI à Cul. Ce
mélange
des orbitales p et d a été évalué par Cardona[6]
et Shindo et al.[26]
àpartir
de la valeur
expérimentale
de l’effet decouplage spin-orbite.
Dans le tableau ci-dessous(tableau I)
nous donnons le
pourcentage
de caractère p enr 15
pour les
halogénures
de cuivre. Notre valeur(28 %)
est en bon accord avec les valeurs avancées par Cardona
[6]
et Shindo et al.[26].
TABLEAU 1
Car- Shindo Calcul
dona
[6]
et al.[26]
des bandesLes
expériences
de Kono et al.[31 ] pour
l’étude des bandes de valence deshalogénures
cuivreux montrentun
pic
trèsprononcé.
Du côté des bassesénergies
parrapport
à cepic (à 1,25
eV du sommet pourCu-Br)
il y a une bosse et du côté des
énergies plus
élevéesune
petite
bande interdite(- 0,8 eV) puis
un nouveaupic
à une distance d’environ2,50
eV. Lafigure
6cde la densité d’états « p + d » montre bien un
pic
très
important
dû aux électrons desymétrie T12.
Des deux côtés de ce
pic
se trouvent encore deuxautres
pics
aux distances -1,36
eV à droite et -2,18
eVà
gauche.
Bien que notre calcul de densité d’étatsne soit pas très
précis,
l’accord entre nos valeurs etles valeurs
expérimentales
est satisfaisant.Sur les
figures
2a et b nous n’avons tracé que les deuxpremières
bandes de conductibilité. Le minimase trouve au
point
r et est desymétrie r 1.
Les bandesde conductibilité de Cu-Br sont semblables à celles de Cu-Cl. Dans les deux cas, ils sont
d’origine
4 set 4 p de
Cu + (en
termes de liaisonsfortes),
cequi explique
leur similitude.Les
expériences spectroscopiques
montrent l’exis-tence d’une bande interdite
(riA - Fi - 3,1 eV)
entre les bandes de valence et de conductibilité. Nous
désignons
parh; ‘(r; ‘)
le l-ième niveau classé res-pectivement
parénergie
décroissante(croissante)
du haut de la bande de valence
(bas
de la bande deconductibilité),
desymétrie Fi.
Cardona[6]
et Ishiiet al.
[26]
ont observéplusieurs
maxima dans lesspectres d’absorption
ultraviolet. Ils sont donnés dans le tableau suivant(tableau II) :
TABLEAU II
Les
énergies d’absorption
en eVCardona
[6]
etSong [10]
ontindiqué quelques
tran-sitions interbandes
permises
pourexpliquer
lesspectres d’absorption jusqu’à
10 eV. Leursexplications
nesont pas
compatibles
avec notre calcul de bandes.Les trois
premiers pics (5,48 eV, 5,60
eV et6,65 eV)
de Cardona
pourraient
être attribués à la transitionX5’(XÎ’) - X§ (- 6,6 eV).
Si on tientcompte
de l’effet ducouplage spin-orbite,
lesquatre
niveauxX,, x , X5’
etXv’
se transforment enXb’
‘- 0,498
8ua), Vi (- - 0,499
3ua) Xv’
Z(- - 0,500
0ua), X V’ (- - 0,510
8ua)
etX V’
( N - 0,511
3ua).
Les niveauxXvl
etX3
3 ont uneforte
présence
deX,
etX V’,
donc les transitions àpartir
de ces deux niveaux versX’ 3
seront trèsfaibles. Les
énergies
des transitions(les plus
pro-bables) X§’ - X3, X V2 --> Xc
etV V2 --+ Xc
sont6,54 eV, 6,57
eV et6,86
eVrespectivement.
Les602
transitions aux
7,3 - 7,7
eV et8,9 - 9,0
eV corres-pondent
auxX 12 - X3 (- 7,4 eV)
etX 5’ - X4 ( N 10,0 eV).
Cesinterprétations
sontcompatibles
avec
celles
que nous avonsdéjà
données pour lesspectres d’absorption
ultraviolet de CuCI[9].
Lesdeux autres transitions observées par Ishii et al.
[26]
sont
proches
des valeurs des transitions interbandeX v 5 Xi (- 15,3 eV)
etX5’ - Xc 5 (21,4 eV).
Les
figures 3a, b,
c et dreprésentent
les résultats du calcul des bandes de valence avec lecouplage spin-orbite.
A la suite de l’effet ducouplage,
le sommetde la bande de valence la
plus
élevée ne se trouveplus
aupoint r ;
mais cedéplacement
de maximumpar
rapport
au centre(de ZB)
est si peuimportant
que nous pouvons bien
prendre
le sommet àF8
pour
simplifier
les calculs. Selon la théorie des groupes,chaque
niveau dans la direction 1 doit seséparer
en
13
et14
sous l’effet ducouplage spin-orbite [17] ;
mais cette
séparation entre 13 et 14
est si faible( N 10-4 ua)
que nous nel’apercevons
pas. Il faut noter que laséparation
entreA4
etA5 (en
doublerepré- sentation)
est aussi très faible(- 10-3 ua).
7. Conclusion. - Cette étude nous a
permis
dedégager
lespoints
suivants :- Les méthodes combinées de TB et de OPW
déjà
utilisées pour décrire les structuresélectroniques
des Ar
[12],
Kr[13], AgCl
etAgBr [14]
et CuCI[8]
sont aussi valables pour CuBr. Elles devraient aussi
pouvoir
êtreappliquées
pour décrire la structureélectronique
deCul,
mais malheureusement les fonctionsatomiques
de I- ne sont pas connues.- Les structures
électroniques proposées
parextrapolation
de la structureélectronique
de CuCI[10]
et par le calcul à
partir
despremiers principes
ne sontpas les mêmes.
- La
plupart
des donnéesexpérimentales
sont bieninterprétées
à l’aide de notre calcul de la structure debandes ;
- La
figure
6a des densités d’états montre encore une émission des électrons àpartir
des états « s ».Ce maximum d’émission se trouve à - 15 eV du
pic
le
plus prononcé (du
côté de la hauteénergie)
dansles
spectres
dephotoémission
de CuBr par Konoet al.
[31 ].
- Enfin nous nous proposons d’étudier
plus
par- ticulièrement lesspectres excitoniques
de CuBr[1 ], [5]
en tenant
compte
de la structureélectronique
calculée.Remerciements. -
J’exprime
ici ma reconnaissance à M. leprofesseur
E.Daniel, qui
m’adirigé
tout aulong
de ce travail.Bibliographie [1
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